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图27.1。在海水中二氧化碳的相行为,表现出典型的气-液和水合物相边界原位- t概要文件(从啤酒et al . 1999年)

在海水中二氧化碳的近场的命运

海洋科学家们精通的热力学和海洋分布非常稀释(~ 2.2毫克分子海洋二氧化碳系统(华莱士2001年)。但这样的概念必须从根本上扩展到深海二氧化碳注入的科学调查。图27.1显示了纯二氧化碳的相图叠加在一个海洋由于(- t)规模(Brewer et al . 1999),温度曲线从车站北加利福尼亚覆盖。

图27.1中的阴影区域表示区域二氧化碳将与海水反应从固体水合物(CO2.6H2O),与深刻的物理行为的变化。- t概要显示,二氧化碳气体将首先形成水合物的深度约350米(m)。从气相到液相的转变发生在约400米深。温水地区(如马尾藻和地中海海域),这些资料将被移除,但图27.1是普遍适用的在世界上的海洋。液体二氧化碳是高度可压缩,深度< 2750,它比seawa-ter密度较低;将形成一个浮力羽流,释放因此二氧化碳溶解在周围海洋(Alendal和Drange 2001)。二氧化碳的溶解率水滴接近3

图27.2。“冻胀”的二氧化碳水合物在海底3600米深度造成大规模的水合物的形成。

微摩尔每平方厘米每秒(| lmol cm-2 sec-1) (Brewer et al . 2002年),结果,释放的小水滴,90%的羽毛是溶解在30分钟内释放点200米以上。

低于约3000米的深度,液体二氧化碳导致的高压缩性地层流体的密度比海水,和重力稳定版本是可能的。这一发现导致了建议储存液体二氧化碳作为“湖”深海底。这里存在很大的复杂性。在海水中二氧化碳的溶解度是如此之高(在1 ~ 0.8 mol / l (C和30帕斯卡(MPa))和偏摩尔体积如此之低(~ 31毫升每摩尔[ml mol-1]),一个密集的边界层形成(Aya et al . 1997),抑制混合与上面的海洋。这样一个系统将有很多共同点与天然的浓密池卤水在海底。水合物的形成在这样一个系统,然而,可以自发发生,与复杂的自发的,流体动力学不稳定性和产生的大量更改公司的六个水分子的每一分子二氧化碳(Brewer et al . 1999年)。一个引人注目的例子是如图27.2所示,在一个实验池的二氧化碳放置在海底3600米深度已经渗透到上层沉积物和形成了一个巨大的水合物”冻胀”。

之前认为水合物的形成可能导致“每留在台上”储存的二氧化碳在海底水合物因为- t条件如此强烈有利。然而,水合物稳定的必要条件是平等的在所有阶段的化学势。因为海水太强烈欠饱和对二氧化碳水合物会溶解。的海洋溶解率hydrate-coated二氧化碳滴(Brewer et al . 2002 b)和固体的水合物(出版et al . 2002年)被直接测量。

可能的技术未来的应用程序可能包括管道或油轮注入技术(Aya et al . 2003年)。用方法,注射深度、物理状态,或当地的pH值扰动可以优化。

在海水中二氧化碳的远场的命运

一旦化石燃料二氧化碳注入深海水溶解在海洋背景,它得到一个示踪信号可以被建模。Aumont et al。(2001)相比七海洋模型来探索的长期命运故意注入的二氧化碳。本质上都表现出很强的相关性之间的深度注入和保留的效率。注入海洋深度3000米,整体保留效率~ 85%在1000年的时间尺度。一些海洋表面reexposure和再吸收大气中的包含在这个估算。3000注,这部分约占总数的25%。

实验活动

多年来,只可用来描述模型的概念和草图。一个中等规模的实验计划(几吨CO2)夏威夷海岸,和挪威海岸的晚些时候,环境允许问题而灰心丧气。这种情况在1996年发生了变化,成功改编的遥控车(ROV)技术控制和释放小,控制大量的二氧化碳在深海科学研究(Brewer et al . 1998年)。快速的进步技术然后导致的能力进行实验在大深度(Brewer et al . 1999年)。这些实验现在已经扩展到优雅的生物反应研究(Barry et al . 2002年)和复杂的化学测量(Brewer et al . 2002 b)。

最近的实验系统是一个56-liter (l)、碳纤维、组合活塞式蓄能器(Hydratech,弗雷斯诺,CA),与23-centimeter (cm)外径,长度194厘米,额定在3000磅每平方英寸计(psig), ROV操作(图27.3)。两个串联缸泵,能力128毫升(ml)和970毫升,提供准确的交付所包含的二氧化碳。二氧化碳冷却并压缩在海洋深度下降,所以在典型条件下(900 psig甲板上16°C;1.6°C,海拔3600米),45可用l /潜水实验目的。

这些实验数量允许的可用性测试的生态系统响应

图27.3。一个56-l carbon-fiber-wound二氧化碳输送系统安装在ROV Tiburon,与仪表显示后盖,输送泵上,向左和阀门。点胶阀连接到前面的机械手臂的车辆和没有显示(从啤酒et al . 2003年)。

深海二氧化碳水平升高。最近的一个实验装置如图27.4。这里,一组小型二氧化碳“邀请”放置在海底的深度3600米,液体二氧化碳是足够致密的引力的稳定。围绕这些二氧化碳来源排列动物笼子,核心是对底栖生物海底动物进行调查。目前米、延时相机和录音pH传感器完成观测系统。

这样的实验是在非常早期的阶段,快速发展。的挑战深海应该进行田间试验,然而,不应低估。例如,著名的潮汐流力低pH值从畜栏二氧化碳羽,所以实验笼子里暴露在不同pH值信号(图27.5)。应该有可能推进实验设计来改善这一点。

结论

深海二氧化碳封存显然在技术上是可能的,尽管有许多变体的细节,和一些尚未进行充分的探索。任何二氧化碳捕获和处理技术的主要成本在于捕捉步骤,和这种情况是相同的地质或海洋处置。早期的思想“永久”

图27.4。草图的深海二氧化碳浓缩实验网站旨在研究海洋生物的反应当地的二氧化碳水平升高。注意,深海的二氧化碳水平会上升即使没有任何活跃的碳封存项目(从巴里et al . 2002年)。

图27.5。pH值在1米的距离,记录信号5米和50米从二氧化碳源放置在海底。电极漂移的影响已被移除,视觉清晰的数据集所抵消。背景海洋pH值约为7.6。潮汐的影响速度椭圆是用平流输送二氧化碳羽过去每个传感器有12.4小时的时间(从巴里et al . 2002年)。

处理在海底水合物是不现实的,因为水合物会容易溶解在不饱和海水。概念的“湖”的二氧化碳在海底,与一个稳定、致密边界层之上,仍有待检验,但这些将本地具体的解决方案在海底地形许可。在大多数地方,二氧化碳将会很快溶解在海水和运输作为示踪羽深海环流。大西洋平均通风时间~ 250年,和太平洋~ 550年(Stuiver et al . 1983年)。模型显示预期的南极大气reexposure二氧化碳大约这些时间表。大部分的二氧化碳吸收,结果,在大约1000年的时间尺度,注入效率约85%。

主要关注海洋注入可能对海洋生物的影响,事实上,它将添加到已经大量海洋化石燃料二氧化碳负担。这里还没有标准参考,这些都是急需的。当前入侵的化石燃料二氧化碳从大气到海洋表面现在每天接近2000万吨。这个通量已经改变了海洋表面的pH值,降低pH值0.3海水可以预计,如果大气中的二氧化碳约为600 ppm。因此,深海生态系统将不可避免地经历改变,任何处置策略很可能会比表面小得多的规模的入侵信号。

释放的二氧化碳直接进入海洋可能比释放更少的有害的二氧化碳到大气中。在这种情况下,如果注入二氧化碳导致减少大气浓度峰值,然后直接注入海洋中的二氧化碳可以减少化石燃料燃烧的总体不良后果。如果海洋注入仅仅增加了大气释放,然而,总体不良后果可能会增加。因此,海洋注入的能力有助于减少化石燃料的使用带来的不良后果都依赖于科学技术的海洋二氧化碳注入和科技可能扮演的角色,在我们的能源经济。

确认

我承认大卫和露西尔帕卡德基金会,美国能源部海洋碳封存项目,一个国际研究资助的新能源和工业技术支持组织的研究。

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